수소에 의한 재료손상(Hydrogen Damage)

수소에 의한 재료손상이란 수소 또는 수소와의 상호작용에 의하여 재료가 파괴되는 현상으로

수소 브리스터링(Hydrogen Blistering), 수소 취성(Hydrogen Embrittlement), 수소침식(Hydrogen Attack) 등이 있다.

 

 

 

수소에 의한 재료손상(Hydrogen Damage)

수소 브리스터링(Hydrogen Blistering)

수소 브리스터링은 금속내부의 기공등 수소가 확산해서 수소가 분지가 되고 고온등 사용조건에 따라 축적된 수소가 큰 압력으로 작용하여 재료를 파괴시킨다.

 

<그림 1> Schematic of hydrogen blistering.

 

 

수소 취성(Hydrogen Embrittlement)

수소 취성은 수소원자가 균열선단등 수소가 흡착하기 쉬운 금속내부로 확산하여 취성이 강한 수소화합물을 만들거나 원자의 결합력을 약화시켜 인장강도 및 연성을 감소시켜 쉽게 파괴되는 현상이다.

수소취성에 미치는 요소로는

○ 조직과 강도 : 미세조직과 고강도일수록 수소취성에 약하다.

○ 온도 : 온도가 증가하면 수소취성은 감소한다. 약 70℃ 정도에서 취성에 대한 변화가 크게 일어난다.

○ 응력 : 인장응력이 클수록 수소 취성을 받기 쉽다.

○ 부식분위기 : 수소를 흡착시키는 AS₂O₃, CN⁻ 이 존재하면 수소취성을 받기 쉽다.

 

<그림 2> Schematic of metal hydride formation phenomena.

 

 

수소침식(Hydrogen Attack)

탈탄은 고온에서 강중의 탄화물(Fe₃C)이 수소에 따라 환원되고, 메탄가스(CH₄)를 발생하고 , 주로 입계가 침식되는 현상이다.

탈탄 또는 수소침식은 암모니아 합성공업이나 석유화학공정의 수소첨가공정에서 장시간 고온․고압의 수소에 노출된 탄소강이나 저합금강에 생기기 쉽다.

수소침식을 받으면 금속의 강도, 탄성이 저하한다.

탈탄 또는 수소침식은 수소의 온도와 압력이 높은 곳에 쉽게 발생하나 탈탄반응은 탄화물의 분해를 수반하기 때문에 Cr 혹은 Mo과 같은 탄화물 안정원소를 첨가한 합금강을 이용하는 것이 탈탄 또는 수소침식을 방지 또는 경감하는 방법이다.

탄소강의 사용한계온도가 약 400℃ 이하에서는 분위기중 수소압이 증가하여도 탄화물의 분해가 일어나지 않는 것으로 알려져 있다.

 

<그림 3> Schematic of hydrogen attack.

 

 

수소에 의한 재료손상 예방

(1) 수소블라스터링 예방책

○ 기공 등 내부 결함이 많은 림드강 보다는 킬드강을 사용

○ 코팅을 하여 수소침투를 방지

○ 수소침투가 어려운 오오스테나이트 스테인레스 또는 Ni 클래드강 사용

○ 부식억제제 사용

 

(2) 수소취성 예방책

○ 부식억제제 첨가로 양극부식속도를 감소

○ 재료를 높은 온도(100℃ ～160℃)에서 건조 가열하여 내부의 수소를 확산 방출하여 수소가 없는 재료 사용

○ 고강도 강 대산 Ni 또는 Mo 첨가 강을 사용

○ 용접시 저수소 용접봉 사용

 

 

Reference : Federico Ustolin* , Nicola Paltrinieri, Filippo Berto, Loss of integrity of hydrogen technologies: A critical review